TERMODINÂMICA APLICADA

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1 TERMODINÂMICA APLICADA Livro Texto adotado: Fundamentos da Termodinâmica Claus Borgnakke / Richard E. Sonntag Editara Blucher. Samuel Sander de Carvalho samuel.carvalho@ifsudestemg.edu.br Juiz de Fora - MG

2 Conceitos Preliminares: O que será estudado nessa disciplina? Efeitos em substâncias cujas massas podem ser submetidas a aquecimento/resfriamento ou a compressão/expansão volumétrica. Será focado situações que são fisicamente simples e, ainda, típicas de situações da vida real na indústria ou na natureza.

3 São alguns exemplos de sistemas conhecidos que a teoria da termodinâmica nos permite analisar.

4 Qual(is) desses pode(m) ser considerado um sistema termodinâmico? TODOS

5 Bom, antes de continuarmos o estudo da aplicação da teoria, vamos abordar alguns conceitos básicos e definições para a nossa análise e rever alguns aspectos da física e da química que serão necessários.

6 1 SISTEMA TERMODINÂMICO: Pode ser um dispositivo ou mesmo um conjunto de dispositivos, o(s) qual(is) contém(nham) uma quantidade qualquer de matéria que está sendo estudada. Um sistema pode ser considerado como um volume de controle.

7 1 SISTEMA TERMODINÂMICO: O sistema pode ser aberto havendo escoamentos (entrada ou saída) de massa ou fechado. Também, podem apresentar fluxo (entrada ou saída) de energia, O fluxo de energia não depende do sistema ser aberto ou fechado. Contudo, há um outro sistema, conhecido como sistema isolado.

8 1 SISTEMA TERMODINÂMICO: Sistema aberto: conhecido também por volume de controle, trata-se da região onde ocorre fluxo de massa através da(s) fronteira(s). Sistema fechado: é definido quando uma quantidade qualquer de matéria está em análise, porém, a quantidade de massa dessa matéria não se altera (fixa). Em outras palavras, não há transferência de massa através da fronteira do sistema. Ela também é conhecida simplesmente como sistema. Sistema isolado: não sofre qualquer tipo de influencia da vizinhança, ou seja, calor, trabalho e massa não cruzam as fronteiras.

9 1 SISTEMA TERMODINÂMICO: Exemplo de um Sistema Sistema Fechado Exemplo de Volume de Controle Sistema Aberto

10 1 SISTEMA TERMODINÂMICO: Que tipo de sistemas são esses?

11 1 SISTEMA TERMODINÂMICO: Melhorando o entendimento. 1. Sistema Fechado = Sistema Fechado; 1.1. Sistema Isolado = Tipo especial de Sistema Fechado; 2. Sistema Aberto = Volume de Controle.

12 1 SISTEMA TERMODINÂMICO: Como escolher a fronteira? Depende do que está se pedindo.

13 1 SISTEMA TERMODINÂMICO: Como escolher a fronteira? Pede-se: Sabendo as propriedades de entrada e de saída do ar no compressor, deseja-se obter a energia elétrica de entrada

14 1 SISTEMA TERMODINÂMICO: Como escolher a fronteira? Pede-se: Sabendo qual é a energia elétrica e o objetivo da análise é determinar por quanto tempo o compressor deve operar para elevar a pressão do tanque em um determinado valor.

15 2 PONTOS DE VISTA MACROSCÓPICO E MICROSCÓPICO: Macroscópico: considera o comportamento global de um sistema, sendo tratado pela termodinâmica clássica. Nenhum modelo da matéria em níveis molecular, atômico ou subatômico é considerado.

16 2 PONTOS DE VISTA MACROSCÓPICO E MICROSCÓPICO: Microscópico: tratado pela termodinâmica estatística, se correlaciona diretamente com a estrutura da matéria. Somente modelo da matéria em níveis molecular, atômico ou subatômico é considerado. Nesta disciplina, não será abordado os modelos a nível microscópico.

17 2 ESTADO E PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA: Novamente o sistema. Então, para descreve-lo ou mesmo predizer seu comportamento, é necessário o conhecimento de suas propriedades e como elas se relacionam. Podem ser identificados por certas propriedades macroscópicas: as mais comuns são: Temperatura Pressão Massa Volume Energia

18 2 ESTADO E PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA: Estado: Especificado ou descrito pelas propriedades. Processo: é a mudança de um estado para outro. Quando alguma das propriedades muda, o estado muda e, portanto, o sistema sofreu um processo. Se um sistema apresenta as mesmas propriedades ao longo do tempo, ou seja, não muda de estado, diz-se que o sistema encontra-se em estado estacionário.

19 Estado 2 ESTADO E PROPRIEDADES DE UMA SUBSTÂNCIA: propriedades Analise e responda: O que são as propriedades, o que são estados e o que é o processo na figura ao lado?

20 3 CICLO TERMODINÂMICO: O que é um ciclo termodinâmico? É uma sequência de processos que começam e terminam em um mesmo estado ( propriedades finais = propriedades iniciais).

21 4 PROPRIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS: Extensivas: São aquelas que DEPENDEM da quantidade da amostra. Podem ou não variar com o tempo, muitas das análises termodinâmicas se faz quando este interage com vizinhança. Exemplos: massa, volume, energia.

22 4 PROPRIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS: Intensivas: São aquelas que NÃO DEPENDEM da quantidade da amostra APÓS O EQUILÍBRIO, não são aditivas; também, não dependem do tamanho ou da extensão do sistema e podem variar de local para local do sistema e ao longo do tempo. Exemplos: Volume específico, pressão, temperatura.

23 5 FASEESUBSTÂNCIAPURA: Fase: quantidade de matéria que é homogênea em sua composição química e física (elemento ou composto). Homogeneidade em sua composição física: a matéria é totalmente sólida, líquida ou gasosa (vapor).

24 6 EQUILÍBRIO E PROCESSO DE QUASE-EQUILÍBRIO: O que vocês entendem por EQUILÍBRIO? Ex. Equilíbrio de forças (igualdade de forças). No entanto, não há somente esse equilíbrio, há também equilíbrio térmico, de fases e químico. A termodinâmica clássica trata de estados de equilíbrio, e mudanças de um estado em equilíbrio para outro.

25 6 EQUILÍBRIO E PROCESSO DE QUASE-EQUILÍBRIO: Em termodinâmica, ao isolar as propriedades de uma substância qualquer, não se observa nenhuma mudança de suas propriedades, isso significa que o sistema encontra-se em equilíbrio naquele instante. No equilíbrio, a temperatura é uniforme ao longo do sistema, o mesmo ocorrendo para a pressão, desde que não haja variação dos efeitos de gravidade e/ou (não haja grande variação da coluna de líquido).

26 6 EQUILÍBRIO E PROCESSO DE QUASE-EQUILÍBRIO: Agora, já sabemos que as propriedades descrevem o estado de um sistema apenas quando ele está em equilíbrio. Então surge a pergunta: Como poderemos descrever os estados de um sistema durante um processo, se o processo real só ocorre quando não existe equilíbrio?

27 6 EQUILÍBRIO E PROCESSO DE QUASE-EQUILÍBRIO: Respondendo a essa pergunta, deve ser considerado um processo chamado de quase-equilíbrio. Um processo de quase-equilíbrio é aquele em que o desvio do equilíbrio termodinâmico é infinitesimal.

28 6 EQUILÍBRIO E PROCESSO DE QUASE-EQUILÍBRIO: Supondo que cada peso sobre o pistão é pequeno, e que eles serão tirados um a um o processo pode ser considerado de quase-equilíbrio.

29 Exercício de fixação: 1. Um sistema qualquer apresenta dois processos, no primeiro, o líquido contido no início do processo é transformado em gás. No segundo, ele volta a líquido com as mesmas propriedades iniciais devido ao ciclo que ele se encontra. Esse sistema apresenta no estado inicial volume igual a 0,1 m³, massa igual a 100 g, pressão igual a 2 atm. O elemento que compõe o sistema é amônia. Conforme o sistema está em operação, parte desse elemento é perdido para a atmosfera devido a troca de calor, no entanto há uma reposição gradual do mesmo em estado líquido.

30 Exercício de fixação: Perguntas: a. Que tipo de sistema termodinâmico é o apresentado pelo exercício em questão? Explique o porque. b. Nesse sistema haverá ou não troca de energia com o ambiente? Porque? c. O exercício apresenta quantos estados? Explique. d. O exercício apresenta quantos processos? Explique.

31 Exercício de fixação: Perguntas: e. O exercício apresenta quantas propriedades? Quais? Qual(is) são propriedades intensivas e extensivas? f. O material que compõe o sistema é uma substância pura ou não? Por que?

32 Exercício de fixação: 2. Olhando para o sistema ao lado pede-se: Um determinado engenheiro, descobriu as propriedades do líquido presente na entrada e na saída da bomba, agora ele precisa descobrir qual é o trabalho que ela realiza. Mas primeiro é necessário definir as fronteiras do sistema, sendo ele (um sistema ou um volume de controle), qual seria as fronteiras que você adotaria? Pela fronteira escolhida, seria um sistema ou volume de controle? Por que?

33 7 UNIDADES DE MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA: Há basicamente dois tipos de sistemas de unidades utilizados. Sistema Internacional de Medicas (SI); Sistema Inglês de Engenharia (Inglaterra e Estados Unidos). Diferença entre massa e peso Peso=Força O termo peso é frequentemente associado a um corpo e, muitas vezes confundido como massa.

34 7 UNIDADES DE MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA: A unidade básica (SI) dotempo é o segundo(s); A unidade básica (SI) damassa é o quilograma (kg); A unidade básica (SI) decomprimento é o metro (m); A unidade básica (SI) deforça é o Newton (N); Vamos entender algumas unidades do Sistema Inglês: 1ft=0,3048m (ft (foot or feet) pés) 12in=1ft (in (inch) polegadas) 1 lbm = 0, kg (lbm libra-massa)

35 7 UNIDADES DE MASSA, COMPRIMENTO, TEMPO E FORÇA: Vamos entender algumas relações (equivalências) entre o Sistema Internacional e Sistema Inglês: a g =9,80665 = 32,174 1lbf=32,174. Valores obtidos do Apêndice A, do livro Fundamentos da Termodinâmica (Borgnakke e Sonntag) 7ª Ed. 1kgf= 9,80665.

36 Exercício de fixação: 3. Qual é o peso de um corpo que apresenta massa igual a um quilograma em um local, em que a aceleração local da gravidade vale 9,75 m/s 2?

37 8 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA: Volume Específico: é definido como o volume ocupado pela unidade de massa e é definido pelo símbolo. Massa Específica: é definida como a massa associada à unidade de volume e é definido pelo símbolo. Ou seja, um é o inverso do outro. Obs.: A massa específica é o mesmo que densidade, mas o primeiro utilizado para líquidos e/ou gases e o segundo para sólidos.

38 8 VOLUME ESPECÍFICO E MASSA ESPECÍFICA: Estudaremos massa específica e volume específico em base mássica ou molar. Pelo SI as unidades são: Volumeespecífico:, ou Massaespecífica:, ou

39 Exercício de fixação: 4. O recipiente mostrado ao lado, com volume interno de 1 m 3, contém 0,12 m 3 de granito, 0,15 m 3 de areia e 0,2 m 3 de água líquida a 25 C. Determine o volume específico médio e a massa específica média da mistura contida no recipiente.

40 Exercício de fixação: Dados: V TOTAL = 1 m 3 V granito = 0,12 m 3 ; V água = 0,20 m 3 ; V areia = 0,15 m 3 ; V ar = 0,53 m 3 ; é =? é =?. Primeiro passo: Deve-se encontrar a massa de cada elemento, e para isso, é necessário encontrar a massaespecífica para cada um. Consulte astabelasa.3,a.4ea.5 no final do livro.

41 Exercício de fixação: TABELAS DE PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Segundo passo: encontre cada propriedade desejada nas tabelas.! #$%% & ' (!)* +,$% & ' á. //, & ' #,#1/ & '

42 Exercício de fixação: Resolução: Tendo a massa específica e o volume, consegue-se calcular agora a massa de cada elemento.

43 Exercício de fixação: Resolução: Somatório das massas:.

44 Exercício de fixação: Resolução: Agora, torna-se possível calcular o volume e a massa específica média.

45 Exercício de fixação: 5. Um recipiente cilíndrico de aço apresentando massa igual a 4 kg e contém um raio interno de 0,09 m com altura de aproximadamente 0.16 m. Em seu interior há água líquida à 25 C e 100 kpa. Encontre a massa e o volume TOTAL do sistema e a massa específica média. Liste duas propriedades extensivas e três intensivas. 6. Um tanque apresenta duas partições separadas por uma membrana. A partição A apresenta 1 kg de ar e volume igual a 0,5 m 3. o volume da partição B, também com ar, é 0,75 m 3 e essa contém volume específica igual a 1,25 m 3 /kg. a membrana é rompida e o ar torna-se uniforme. Determine a massa específica do ar no estado final do processo.

46 9 PRESSÃO: Nadamaisédoqueaforçaaplicadaencimadeumadeterminadaárea. Geralmente definido pelo símbolo. Obs.: A Pressão é o mesmo que Tensão, mas o primeiro utilizado para líquidos e/ou gases e o segundo para sólidos. A Tensão também é utilizado quando algo está sendo tracionado. Na verdade, não há como você tracionar um fluido.

47 9 PRESSÃO: A pressão em um ponto específico de um fluido qualquer é a mesma em qualquer direção. No (SI) a unidade de pressão é opascal (Pa) Porém, há outras unidade que não fazem parte do (SI), mas são largamente utilizadas, são elas: o bar e a atmosfera.

48 9 PRESSÃO: Analisando as figuras abaixo A pressão exercida pelo gás em todas as fronteiras do sistema é amesma? Sim, desde que se admita que o gás (fluido) esteja em um estado de equilíbrio, e que a altura do topo à base possa ser desprezível.

49 9 PRESSÃO: Analisando as figuras abaixo No entanto, para que exista equilíbrio, as forças externas devem ser exatamente iguais a força interna, sendo ambas aplicadas sobre a mesma área, ou seja, PRESSÃO INTERNA e EXTERNA IGUAIS.

50 9 PRESSÃO: Analisando as figuras abaixo Dessa forma, o pistão móvel, é o único que pode interferir no equilíbrio. Para garantir esse equilíbrio, a Pressão Interna do Gás multiplicada pela Área interna do Pistão Móvel, deve ser igual a Força Externa aplicada sobre a Área externa do Pistão Móvel.

51 9 PRESSÃO: Analisando a figura abaixo

52 Exercício de fixação: 7. A figura ao lado, mostra um conjunto cilindropistão utilizado em um sistema hidráulico. O diâmetro do cilindro (D) é igual a 0,1 m e a massa do conjunto pistão-haste é 25 kg. O diâmetro da haste é 0,01 m e a pressão atmosférica (P 0 ) é 101 kpa. Sabendo que o conjunto cilindro-pistão está em equilíbrio e que a pressão no fluido hidráulico é 250 kpa, determine o módulo da força que é exercida na direção vertical e no sentido descendente, sobre a haste. 2 3) /+$,#$1 4

53 Exercício de fixação: Dados: D cilindro = 0,1 m; d haste = 0,01 m 3 ; m pistão-haste = 25 kg; P 0 = 101 kpa; F haste =? P fluido =250 kpa.. Primeiro passo: garantir o equilíbrio entre todas as forças presentes nesse sistema.

54 Exercício de fixação: Resolução: Resposta: 2 56) 7/+$,#$1 4

55 9 PRESSÃO: A pressão absoluta é utilizada na maioria das análises termodinâmica. Os manômetros de pressão e de vácuo, indicam a diferença entre a pressão absoluta e a atmosférica, essa pressão é conhecida como pressão manométrica.

56 9 PRESSÃO: Analise a figura que contém uma coluna de fluido H: Qual a força na base da coluna H? Perceba que o ponto A e o ponto B então na mesma altura, logo, apresentam a mesma pressão.

57 9 PRESSÃO: Supondo que a massa específica do fluído no reservatório seja menor que a do fluido manométrico, conclui-se que a pressão no reservatório é próxima dep A, então: Assim, Logo, a pressão manométrica é dada por:

58 9 PRESSÃO: ATENÇÃO: O termo pascal irá se referir sempre à pressão absoluta. Observe o barômetro utilizado para medir a pressão atmosférica: Como encontrar a pressão atmosférica?

59 Exercício de fixação: Introdução 8. Um barômetro de mercúrio está em uma sala a 25 C e tem uma coluna de 750 mm de altura, sabe-se que a pressão acima da coluna de fluido é aproximadamente ZERO, pede-se: qual é a pressão atmosférica em kpa?

60 Exercício de fixação: Introdução 9. O tanque esférico mostrado na figura a seguir apresenta diâmetro igual a 7,5 m e é utilizado para armazenar fluidos. Determine a pressão no fundo do tanque considerando que: a) O tanque contém gasolina líquida a 25 C e a pressão na superfície livre do líquido é 101 kpa. b) O fluido armazenado no tanque é o refrigerante R-134a e a pressão na superfície livreé1mpa. Obs.: A altura entre o topo do tanque e a superfície livre do fluido é desprezível.

61 Exercício de fixação: 10. Um conjunto cilindro-pistão apresenta área da seção transversal igual a 0,01 m 2. A massa do pistão é 100 kg e ele está apoiado nos esbarros mostrados na Figura a seguir. Se a pressão no ambiente for igual a 100 kpa, qual deve ser a mínima pressão na água para que o pistão se mova?

62 9 ENERGIA: Uma quantidade de massa macroscópica pode possuir energia interna, energia cinética e energia potencial. A EnergiaTOTAL pode ser definida como a soma de todas elas. Para o entendimento de um conceitos mais aprofundado na definição básica da energia, é necessário recorrer a algumas definições da termodinâmica microscópica que não é o foco da nossa disciplina.

63 10 IGUALDADE DE TEMPERATURA: Existe diferença entre temperatura e sensação térmica? Qual? A sensação térmica do ser humano não é precisa, algumas vezes, corpos frios podem parecer quentes. Ao colocar um corpo quente em contato com um corpo frio, o que acontece? Depende do tempo que permanecerem em contato. Devido a essa dificuldade não definimos temperatura mas sim igualdade de temperatura.

64 11 LEI ZERO DA TERMODINÂMICA: A LEI ZERO da Termodinâmica estabelece que, quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles terão igualdade de temperatura entre si. ISSOÉÓBVIO!!! No entanto, é a premissa básica para a 1ª e 2ª LEI da Termodinâmica.

65 Exercício de fixação: 11. O diâmetro do pistão mostrado na figura a seguir é de 100 mm e sua massa é de 5 kg. A mola é linear e não atua sobre o pistão enquanto este estiver encostado na superfície inferior do cilindro. No estado mostrado na figura, o volume da câmara é de 0,4 L e a pressão é 400 kpa. Quando a válvula de alimentação de ar é aberta, o pistão sobe 20 mm. Admitindo que a pressão atmosférica é igual a 100 kpa, calcule a pressão no ar nesta nova situação. g p 0

66 FIM AULA 1 -CAP. 1